護(hù)航神舟飛天路的硬核科技

“兵馬未動(dòng)，糧草先行”天舟三號(hào)滿載物資“翹首以盼”

“兵馬未動(dòng)，糧草先行。”神舟十三號(hào)乘組要在軌駐留6個(gè)月，為此，在神舟十三號(hào)發(fā)射一個(gè)月前，“快遞小哥”天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船就滿載物資，發(fā)往太空。

在太空中生活，航天員最離不開(kāi)的物資當(dāng)屬氣瓶。太空環(huán)境接近真空，而氣瓶能為空間站中的航天員提供適宜的大氣環(huán)境。

“可別小看了這個(gè)氣瓶，它是用特種復(fù)合材料制成的，可以充至300倍大氣壓力，這樣充一瓶氧氣就能供航天員使用很長(zhǎng)時(shí)間?！敝袊?guó)航天科技集團(tuán)一院火箭總體設(shè)計(jì)師錢航說(shuō)。

除了空氣，在空間站長(zhǎng)期生活，水資源也必不可少。這次，天舟三號(hào)帶了多組“水囊”包裝的水箱。這種包裝材料輕質(zhì)、柔軟，不僅可以保證飲水安全，在飲水用盡后，還更方便收納。

這些貨物中，最“金貴”的還要數(shù)重達(dá)90多千克的艙外航天服，能為航天員提供太空中生存所需的供氧、調(diào)溫、輻射防護(hù)等。值得一提的是，天舟三號(hào)還特別為女航天員王亞平準(zhǔn)備了女性服裝、衛(wèi)生用品和化妝品。

除了以上特殊貨物，天舟三號(hào)隨身攜帶的其他貨物都采用標(biāo)準(zhǔn)化、型譜化的貨包裝載。這些貨包不僅具有良好的力學(xué)承載性能，還有抗菌、防霉、阻礙燃燒、無(wú)有害氣體揮發(fā)等特點(diǎn)。

從顛簸震動(dòng)到舒適加倍航天員火箭“專列”再升級(jí)

神舟十三號(hào)發(fā)射升空，伴隨著巨大的火箭尾焰和轟鳴聲，從直播畫(huà)面中看到，3名航天員的神情似乎與在地面無(wú)異，也沒(méi)有明顯的搖晃。

與之形成鮮明對(duì)比，在神舟五號(hào)載人飛行任務(wù)中，當(dāng)火箭飛行到三四十千米的高度時(shí)，火箭和飛船發(fā)生了急劇抖動(dòng)，產(chǎn)生共振，讓楊利偉承受了極大的不適。后來(lái)，楊利偉在《太空一日》中回憶了那“難以承受的26秒”：“痛苦的感覺(jué)越來(lái)越強(qiáng)烈，五臟六腑似乎都要碎了。我?guī)缀蹼y以承受，覺(jué)得自己快不行了。”

這個(gè)讓人很不舒服的共振曾是一個(gè)世界級(jí)航天發(fā)射難題。早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)發(fā)射大力神火箭過(guò)程中，就出現(xiàn)過(guò)持續(xù)30秒的振動(dòng)；法國(guó)火箭也曾出現(xiàn)過(guò)類似問(wèn)題，影響了搭載衛(wèi)星的壽命。

如何讓這26秒不再“難以承受”？試驗(yàn)人員經(jīng)過(guò)測(cè)算分析，認(rèn)為“病根”可能出在氧化劑上：當(dāng)氧化劑中燃料的振動(dòng)頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率接近時(shí)，很可能發(fā)生結(jié)構(gòu)與液體耦合的發(fā)散振動(dòng)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)分析，結(jié)論印證了此前的推測(cè)：?jiǎn)栴}出在火箭的POGO振動(dòng)（縱向耦合振動(dòng)）上。

找到問(wèn)題根源后，長(zhǎng)二F火箭研制團(tuán)隊(duì)著手改進(jìn)火箭性能。首先，研制人員通過(guò)減少火箭助推器蓄壓器上的膜盒，減小振動(dòng)量級(jí)和時(shí)間，但振動(dòng)問(wèn)題仍未完全解決。研制團(tuán)隊(duì)再次優(yōu)化設(shè)計(jì)，將助推器蓄壓器改為變能量蓄壓器。這個(gè)裝置能夠吸收燃料振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，改變?nèi)剂系恼駝?dòng)頻率。燃料的振動(dòng)頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率不再接近，火箭因此就不會(huì)產(chǎn)生POGO振動(dòng)。

逃逸系統(tǒng)安全可靠為“生命之舟”保駕護(hù)航

與其他型號(hào)火箭不同，長(zhǎng)二F火箭頂部有一根瘦長(zhǎng)的“避雷針”——逃逸系統(tǒng)。假如火箭突發(fā)意外情況，逃逸飛行器會(huì)像“拔蘿卜”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。但開(kāi)傘過(guò)程中，返回艙會(huì)受到地面低空風(fēng)的極大影響。

此前，逃逸飛行器只能往一個(gè)固定的方向逃逸，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。“如果逃逸飛行器只能向東逃逸，正好這時(shí)地面吹來(lái)一股向西的風(fēng)，這樣，返回艙處于開(kāi)傘狀態(tài)時(shí)，很可能又被吹回到故障火箭附近，航天員就會(huì)陷入危險(xiǎn)。”長(zhǎng)二F火箭副總師劉烽說(shuō)。

為確保航天員安全，研制人員對(duì)長(zhǎng)二F火箭逃逸安控體制進(jìn)行改進(jìn)，提高了保密安全性能和抗干擾性能。研制人員在現(xiàn)有控制逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，新增發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火功能，使逃逸飛行器可以向垂直于地面風(fēng)的方向逃逸，更加安全、靈活。

比如，地面刮的是南北風(fēng)，現(xiàn)在逃逸能力提升了，可以提前選擇與南北風(fēng)垂直的方向逃逸，避開(kāi)地面風(fēng)。逃逸系統(tǒng)改進(jìn)后，長(zhǎng)二F火箭的安全性指標(biāo)評(píng)估值達(dá)到0.999 96的國(guó)際先進(jìn)水平，即發(fā)射10萬(wàn)次，才會(huì)有4次逃逸失敗。

“原材料是用在逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)上的關(guān)鍵組分，組分雖小，作用卻很大，可以保證配方的穩(wěn)定性和可靠性，這就要求我們精益求精，確保原材料生產(chǎn)質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失?！焙教焖脑?2所的研制人員說(shuō)。從神舟一號(hào)到神舟十三號(hào)，航天四院42所提供的逃逸系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力源均圓滿完成任務(wù)。

飛船艙體密封件100%合格率保證航天員的生命安全

作為飛船內(nèi)空氣環(huán)境和航天員生命安全的“保護(hù)神”，航天四院42所研制的飛船艙體密封件是飛船艙體結(jié)構(gòu)密封的關(guān)鍵部件。

自1999年神舟系列載人飛船飛行以來(lái)，航天四院42所已為飛船總體單位提供萬(wàn)余件密封件，一次性檢驗(yàn)合格率均為100%。雖然是“成熟產(chǎn)品”，但是航天四院42所的研發(fā)人員知道，“必須精益求精、100%完美，才能保證航天員的生命安全”。

由于太空條件極其苛刻，長(zhǎng)期在軌工作對(duì)空間站動(dòng)、靜結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)的密封件使用壽命和性能都提出了更高要求，這些密封件產(chǎn)品誤差不能超過(guò)0.01毫米，相當(dāng)于一根頭發(fā)絲1/5的精度?！澳呐率且粋€(gè)細(xì)小的零部件，都關(guān)乎航天員的生命安全，容不得半點(diǎn)馬虎?！泵芊饧兄曝?fù)責(zé)人之一王凡說(shuō)。

空間站各艙體是獨(dú)立的“房間”，艙門是連接和隔離空間站各艙體的重要機(jī)構(gòu)，頻繁關(guān)閉艙門，要求艙門密封件既要嚴(yán)絲合縫，更要經(jīng)久耐用，對(duì)艙門密封件的密封性能和耐久性提出了極高要求。

密封材料對(duì)空間環(huán)境下的使用性能有著嚴(yán)苛的考核，一個(gè)艙門密封材料就有低溫、老化、撕裂強(qiáng)度、氣味、防霉等考核指標(biāo)近20項(xiàng)。王凡和同事們一起，對(duì)標(biāo)各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)扎穩(wěn)打、步步為營(yíng)，研制的產(chǎn)品成功經(jīng)受了地面8萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn)，并通過(guò)多重環(huán)境試驗(yàn)，滿足在軌長(zhǎng)壽命要求。

與此同時(shí)，在王凡看來(lái)，出艙活動(dòng)時(shí)艙外航天服活動(dòng)關(guān)節(jié)的靈活性顯得尤其重要，航天四院42所還承擔(dān)了艙外航天服上連接處密封件的研制與生產(chǎn)?！拔覀兊暮教旆B接處密封件，能夠耐受空間環(huán)境的考驗(yàn)，確保密封嚴(yán)絲合縫、航天服關(guān)節(jié)靈活自如、空間環(huán)境適應(yīng)性良好，各項(xiàng)空間環(huán)境耐受性能均達(dá)到國(guó)外同類材料水平，滿足空間飛行器衛(wèi)生學(xué)標(biāo)準(zhǔn)?！蓖醴步榻B。

“萬(wàn)里穿針”再次上演徑向?qū)邮状翁镇?yàn)證

神舟十三號(hào)載人飛船采用自主快速交會(huì)對(duì)接模式，成功對(duì)接于天和核心艙徑向端口，徑向?qū)蛹夹g(shù)首次得到太空驗(yàn)證。

專家解釋，所謂“徑向?qū)印?，就是指航天器從空間站組合體的下方垂直向上對(duì)接。在這之前，我國(guó)在太空進(jìn)行的飛船交會(huì)對(duì)接都是水平方向的，包括前方交會(huì)和后方交會(huì)。

專家表示，徑向交會(huì)技術(shù)難度極大，我國(guó)此前還未在太空中進(jìn)行過(guò)驗(yàn)證。在太空中的對(duì)接是“萬(wàn)里穿針”的難度。從神舟十二號(hào)開(kāi)始，我國(guó)的載人飛船新增了自主快速交會(huì)對(duì)接、徑向交會(huì)對(duì)接和180天在軌?？磕芰ΑＴ谔罩小跋嘤觥焙?，兩個(gè)航天器會(huì)在空間軌道上合并在結(jié)構(gòu)上連成一個(gè)整體，這是載人航天活動(dòng)的三大基本技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)空間站和空間運(yùn)輸系統(tǒng)的裝配、回收、補(bǔ)給、維修、航天員交換及營(yíng)救等在軌服務(wù)的先決條件。

在神舟十二號(hào)之前，神舟飛船及航天員已經(jīng)掌握了自動(dòng)交會(huì)對(duì)接和手動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)。神舟十三號(hào)為什么要采用徑向?qū)拥姆绞剑?/p>

專家介紹，神舟十三號(hào)之所以選擇徑向?qū)拥姆绞脚c天和核心艙進(jìn)行對(duì)接，是因?yàn)榭臻g站接口有限，在前后對(duì)接上后，徑向?qū)泳统蔀橐环N選擇，可以充分利用核心艙下的空間，不僅有節(jié)約燃料的考慮，還可以為2021年已經(jīng)“安排上了”的實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射和搭建作準(zhǔn)備?！半m然是‘萬(wàn)里穿針，但一定會(huì)越‘穿越熟練。這一次交會(huì)對(duì)接的時(shí)間縮短到6.5小時(shí)就是個(gè)明證?！睂＜冶硎?。

根據(jù)發(fā)射日程，大約在2021年底，我國(guó)將要發(fā)射太空實(shí)驗(yàn)艙。屆時(shí)，“丁”字形的實(shí)驗(yàn)艙組合，將在搭建時(shí)也用上徑向?qū)蛹夹g(shù)?？臻g站核心艙的對(duì)接口也不會(huì)完全在同一個(gè)水平方向上，因此，徑向?qū)邮呛教炱鞅仨氁莆盏囊豁?xiàng)對(duì)接技術(shù)。

創(chuàng)新綜合測(cè)試模式完成“神舟筑夢(mèng)”密碼

在神舟飛船試驗(yàn)隊(duì)中，通過(guò)創(chuàng)新變革帶來(lái)效率提升的例子很多，綜合測(cè)試就是其中的典型代表。

綜合測(cè)試是指從總裝到發(fā)射對(duì)整船工作進(jìn)行數(shù)據(jù)判讀，確保每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)都達(dá)到相應(yīng)的狀態(tài)?！叭绻_(dá)不到，可能會(huì)觸發(fā)故障機(jī)制，嚴(yán)重時(shí)甚至中止發(fā)射?！鄙裰埏w船綜合測(cè)試主任設(shè)計(jì)師刁偉鶴說(shuō)。

當(dāng)前，神舟飛船的高密度發(fā)射對(duì)綜合測(cè)試的專業(yè)能力提出了較高要求?？咳撕?zhàn)術(shù)去拼顯然不可取，再說(shuō)，哪來(lái)這么多測(cè)試人員？

經(jīng)過(guò)幾年探索，“神舟”團(tuán)隊(duì)找到一種新的測(cè)試模式。神舟十二號(hào)飛船電測(cè)之前，研制團(tuán)隊(duì)把所有分系統(tǒng)相關(guān)人員召集過(guò)來(lái)，專門花了4個(gè)月時(shí)間對(duì)6 000多個(gè)參數(shù)進(jìn)行了判據(jù)的設(shè)計(jì)、推演和驗(yàn)證。不僅驗(yàn)證了正常數(shù)據(jù)，還通過(guò)“釣魚(yú)執(zhí)法”人為制造了一些故障數(shù)據(jù)，結(jié)果被一一識(shí)破。

累計(jì)1 800多個(gè)小時(shí)的驗(yàn)證，最終打消了各方的疑慮?！安粫?huì)漏判、不會(huì)錯(cuò)判，因?yàn)槊恳粭l我們都做了驗(yàn)證。”刁偉鶴說(shuō)。

新模式變革帶來(lái)的效益非常顯著。完成一艘飛船的綜合測(cè)試，神舟十一號(hào)需要40人，神舟十二號(hào)是30人，到了神舟十三號(hào)僅需20人。時(shí)間也壓縮了，神舟十一號(hào)是70天，神舟十二號(hào)任務(wù)時(shí)兩艘船僅需70天，神舟十三號(hào)任務(wù)時(shí)兩艘船進(jìn)一步壓縮到45天。

刁偉鶴說(shuō)：“在自動(dòng)化判讀上，我們追求‘一勞永逸，因?yàn)槲覀兠鎸?duì)的是空間站10年運(yùn)營(yíng)的考驗(yàn)。同時(shí)我也相信，別的型號(hào)不會(huì)有這么大的驅(qū)動(dòng)力?！?/p>

神舟飛船的每一次發(fā)射升空都是全國(guó)人民關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著中國(guó)空間站建造任務(wù)的推進(jìn)，“神舟”團(tuán)隊(duì)面臨空前的考驗(yàn)，他們正以最大的努力、最積極的思考、最主動(dòng)的行為、最廣泛的智慧去推動(dòng)航天制造業(yè)的變革。

或許，這才是這支隊(duì)伍能夠接下一個(gè)個(gè)難如登天的任務(wù)、順利完成中華民族“神舟筑夢(mèng)”的密碼。